Ученые из IBM в сотрудничестве с коллегами из Университета Регенсбурга (University of Regensburg), Германия, впервые точно измерили силу, необходимую для отрыва единичного атома от кристаллической поверхности.

Необходимо сказать, что нанотехнологии в «чистом виде» как раз должны оперировать отдельными атомами, отрывая их от субстрата и присоединяя к более сложным атомным конструкциям.

Естественно, что подобные технологии могут широко использоваться в производстве компьютерных чипов и памяти, упорядоченных с точностью до отдельных атомов, что даст существенную миниатюризацию микроэлектроники.

В 1989 году ученые из IBM в исследовательском центре Almaden Research Center уже отрывали отдельные атомы ксенона от поверхности и перемещали их, выложив в конце концов из атомов свой логотип – I-B-M. Это революционное достижение стало реальностью благодаря микроскопии нового типа, а, именно, – сканирующей зондовой микроскопии. Многие сравнивают это достижение по значимости в нанотехнологиях с первым полетом братьев Райт в аэронавтике.

С тех пор ученые существенно продвинулись в области микроскопии и манипулирования отдельными атомами. Так, появился знаменитый атомно-силовой микроскоп (atomic-force microscope – AFM), позволивший еще глубже заглянуть в секреты материи.

Рис. 1. Зонд атомно-силового микроскопа, измеряющий силу, связывающую атом кобальта с кристаллической поверхностью

Однако до сих пор все манипуляции с атомами отдавали некоторой «кустарщиной». Никто доподлинно не мог уточнить, какая минимальная сила необходима для отделения атома от той или иной поверхности. А эти знания очень важны для будущего построения сложных систем атомной сборки, таких, например, как нанофабрики.

Заострим внимание, что учеными получено значение минимальной энергии, что дает представление о мощности будущих наноразмерных манипуляторов.

Природа химических связей также налагает ряд ограничений на подвижность атомов в кристаллической структуре или молекуле, и зачастую необходимо знать, с какой силой нужно воздействовать на один атом, чтобы случайно не отделить остальные, связанные с ним.

«Результаты наших исследований обеспечивают фундаментальную базу знаний для дальнейшего производства на молекулярном уровне, а также открывают путь к созданию устройств памяти нового типа», – говорит Андреас Хайнрих (Andreas Heinrich), ведущий ученый в области сканирующей туннельной микроскопии в Almaden Research Center. – «Одна из наших задач – сделать IBM первой компанией, производящей упорядоченные наноконструкции».

О результатах своей работы ученые сообщили в текущем выпуске журнала Science.

Видеоролик с демонстрацией измерения силы кантилевером

В статье “The Force Needed to Move an Atom on a Surface”, ученые показали, что для отрыва атома кобальта от гладкой платиновой поверхности необходимо минимум 210 пиконьютонов (пН), а для отрыва того же атома от медной поверхности – всего 17 пН.

За время, прошедшее с момента появления атомной эмблемы, точность и чувствительность инструментов для работы с наноструктурами существенно повысилась. Для того, чтобы установить значение силы отрыва, ученым понадобилось сделать для атомно-силового микроскопа специальный вид зонда. Он представляет собой жесткий наконечник, расположенный на гибкой пружинящей основе, похожей на вилку кварцевого осциллятора, использующуюся в часовой технике.

Как только конец зонда располагается напротив атома, частота вибрации вилки-зонда изменяется. Она изменяется все больше и больше по мере того, как атом отделяется от поверхности.

Естественно, по изменению частоты осциллирования зонда ученые могут точно установить значение силы, связывающей атом с кристаллической поверхностью.

Как было сказано выше, производство действительно наноструктурированных объектов – задача достаточно сложная, и она потребует от ученых точного знания механики и физики наномира. Без этого можно даже не надеяться увидеть наноассемблеров и другие не менее сложные устройства.

Радует, что работы в этом направлении успешно продолжаются.

Свидиненко Юрий